類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法
2024-01-31 14:19:15 1
專利名稱：類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法
技術領域：
本發明涉及一種側銑加工方法，尤其涉及一種類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法。
背景技術：
五軸側銑加工是指用刀具的側刃銑削去除材料，與球頭端銑的點接觸加工方式相t匕，側銑加工是線接觸加工方式，加工帶寬顯著增加，可以提高材料去除率，能夠減少刀具的磨損。此外，側銑加工還具有以下優點由於側銑加工時刀具軸線基本與葉片曲面平行，可最大限度的避免刀具與相鄰葉片的幹涉；側銑加工為一次加工成形，可顯著提高加工零件的表面質量。側銑加工非常適合整體式葉輪葉片曲面的半精加工和精加工，並被推薦用 於航空零部件的高效加工。現有的側銑刀具路徑規劃方法針對的對象往往集中於直紋面葉片，對於可展直紋面，採用側銑方式可以實現精確加工；對於非可展直紋面，儘管採用側銑加工存在著原理性誤差，但也可以通過刀位優化方法得到側銑刀具路徑，從而滿足加工精度要求。但是在實際應用中，很多整體式葉輪的葉片曲面並不是直紋面，通常為類直紋面，而當前的側銑刀具路徑規劃方法並不適用，這使側銑加工的適用範圍受到了極大地限制。更為重要的是，並非所有的類直紋面都可以通過側銑加工來實現，因此提供一種能否側銑的判別依據至關重要。目前通用的CAM軟體沒有針對類直紋面的側銑加工提供這一功能，Concepts NREC公司的MAX-PAC是針對葉輪五軸數控加工的專用CAD/CAM軟體，也未提供了類直紋面能否側銑的判別依據和刀具路徑生成策略。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號為02139582的發明專利公開了一種鼓錐形刀具及用鼓錐形刀具側銑任意曲面離心葉輪的方法，提供了一種自由曲面的側銑加工方法，但是該刀具路徑規劃方法為避免幹涉，採用多行銑削的策略，大大降低了自由曲面的側銑加工效率，並且很難保證整體葉輪曲面的加工質量。另外，申請號為201110077039的中國發明專利又公開了一種五軸側銑加工工藝參數設計方法，該方法對側銑加工工藝參數進行了優化，但該方法的加工對象僅僅局限於直紋面，並未涉及類直紋面的刀具路徑規劃方法。
發明內容
針對上述現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該方法能夠有效解決當前側銑加工方法只適用於直紋面葉片的問題，大大提高現有側銑加工的適用性。為達到上述目的，本發明提供一種類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，包括以下步驟(I)根據類直紋面整體葉輪曲面，基於最小二乘原則獲取近似的直紋面，且近似直紋面採用兩條邊界三次B樣條曲線表示；
(2)根據獲取的近似直紋面和給定的刀具參數，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態，並通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑；(3)計算類直紋面到刀具包絡面的距離，建立遵循誤差評定準則的刀具路徑整體優化模型，得到優化後的最大幾何偏差；(4)將優化後的最大幾何偏差與預定的加工精度進行比較，判斷類直紋面能否通過側銑達到加工精度要求，若優化後的最大幾何偏差小於預定的加工精度，則該類直紋面可通過側銑達到加工精度要求，生成最優刀具路徑，輸出刀具路徑文件；否則，若優化後的最大幾何偏差大於預定的加工精度，則該類直紋面不可側銑。依照本發明較佳實施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該類直紋面為三維曲面模型或曲面點雲數據文件，且兩條邊界三次B樣條曲線最小二乘意義下逼近類直紋面離散點雲。依照本發明較佳實施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該初始刀 具路徑為一直紋面，採用刀軸軌跡面表示，具體採用下式表示a,0 = (I - a)P(t) + aQ{t) =a)Nik (t)bt + aNik (/)<-];
/=O其中，P (t)和Q (t)表示兩條邊界三次B樣條曲線；Ni，k(t)為B樣條曲線的基函數；k是B樣條曲線的階數；wT= [b0T, V，d0T, Cl11] G □ 6(1+1),b0, ，Id1 和 d。， ，Cl1 分別為兩條 B 樣條曲線的控制點，即軸跡面的形狀控制參數；1+1是B樣條節點個數；a, t 為曲面參數，且(a, t) G
X [t0, tj ;t0是起始參數山是終止參數。依照本發明較佳實施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該刀具路徑整體優化模型採用下式表示min niax|j^ x(w)|;其中，X(w)表示刀具空間運動生成的包絡曲面；{Pi G □ 3，I彡i彡n}表示類直紋面上的採樣點，n是採樣點的個數，□ 3是三維歐氏空間是採樣點到刀具包絡面的距離，3=1 jw』)|是類直紋面到包絡面的最大距離；依照本發明較佳實施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該優化後的最大幾何偏差為優化後類直紋面與刀具包絡曲面之間幾何偏差的最大值。依照本發明較佳實施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該最優刀具路徑為在滿足加工精度的前提下，由刀具路徑整體優化問題的最優解作為控制點的刀軸軌跡面；刀具路徑文件為後處理程序所對應的刀位文件，具體描述刀具的位置和方向。依照本發明較佳實施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，該側銑刀具採用任意迴轉刀具，具體可採用圓柱刀、圓錐刀或鼓形刀。綜合以上，本發明設計了類直紋面能否通過側銑達到加工精度要求的判別依據，並通過刀具路徑整體優化算法給出了高質量的刀具路徑，即適用於類直紋面三維模型，也適用於點雲數據文件。因此，與現有技術相比，本發明的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法克服了當前側銑加工方法只適用於直紋面葉片的問題，可以應用於類直紋面整體葉輪曲面的五軸側銑加工刀具路徑規劃，大大提高現有側銑加工的適用性，極大地擴展了側銑加工的適用範圍。並且，計算效率高，全部過程可以自動完成，實現簡單。
圖I為本發明類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法的流程原理圖；圖2為本發明實施例的類直紋面整體葉輪葉片曲面的離散點雲示意圖；圖3本發明實施例的類直紋面整體葉輪葉片曲面模型示意圖；圖4本發明實施例的最小二乘擬合獲取的近似直紋面及其直母線示意圖；
圖5本發明實施例的圓錐刀及其參數的示意圖；圖6本發明實施例的偏置方法生成初始刀具路徑的示意圖；圖7本發明實施例的刀具路徑整體優化每一步迭代後的最大誤差統計圖；圖8本發明實施例的優化後類直紋面側銑加工幾何偏差分布圖；圖9本發明實施例的優化後刀具運動輪廓的示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖，具體說明本發明。請參閱圖1，一種類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，包括以下步驟(I)根據類直紋面整體葉輪曲面，基於最小二乘原則獲取近似的直紋面，且近似直紋面採用兩條邊界三次B樣條曲線表示。類直紋面可以為三維曲面模型或曲面點雲數據文件，且兩條邊界三次B樣條曲線最小二乘意義下逼近類直紋面離散點雲。(2)根據獲取的近似直紋面和給定的刀具參數，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態，並通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑。刀具參數是側銑加工所選擇刀具的幾何參數。該方法適用於任意類型的迴轉刀具，如圓柱刀、圓錐刀或鼓形刀。對於圓柱刀，需給出刀具半徑和高度；對於圓錐刀，需給出刀具底圓半徑、半錐角和高度。初始刀具路徑，通過近似直紋面的偏置獲取，即在直母線兩端點處沿曲面法向偏置一刀具半徑。該初始刀具路徑用刀軸軌跡面來表達，為一直紋面。如公式(I)所示，刀軸軌跡面由兩條邊界三次B樣條曲線P(t)和Q(t)表示，其中\k(u)為B樣條曲線的基函數，Wt= [b0T,b/，d0T,Cl11] G □ 6(1+1),b0, ，bi 和 dQ， ，Cl1 分別為兩條 B 樣條曲線的控制點，可以視為軸跡面的形狀控制參數；a，t為曲面參數，並且(a，t) G
X [t0, tj0S(w;a,0 = (l- a)P(t) + aQ(t) = [ [(I - a)Ntk (f)bt + aNlk (/)</,- ](I)(3)應用點-刀具包絡面法向誤差函數計算類直紋面到刀具包絡面的距離，建立遵循誤差評定準則的刀具路徑整體優化模型，得到優化後的最大幾何偏差。點-刀具包絡面法向誤差函數由公式⑵定義，其中P為類直紋面上的離散點，X為刀具運動形成的包絡曲面，S(w;a, t)為刀軸軌跡面，r(w;a, t)為刀具半徑。該函數關於其形狀控制參數w的一階微分增量如公式(3)所示。
權利要求
1.一種類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，其特徵在於，包括以下步驟 (1)根據類直紋面整體葉輪曲面，基於最小二乘原則獲取近似的直紋面，且所述近似直紋面採用兩條邊界三次B樣條曲線表示； (2)根據獲取的近似直紋面和給定的刀具參數，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態，並通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑； (3)計算類直紋面到刀具包絡面的距離，建立遵循誤差評定準則的刀具路徑整體優化模型，得到優化後的最大幾何偏差； (4)將優化後的最大幾何偏差與預定的加工精度進行比較，判斷類直紋面能否通過側銑達到加工精度要求，若優化後的最大幾何偏差小於預定的加工精度，則該類直紋面可通過側銑達到加工精度要求，生成最優刀具路徑，輸出刀具路徑文件；否則，若優化後的最大幾何偏差大於預定的加工精度，則該類直紋面不可側銑。
2.如權利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，其特徵在於，所述的類直紋面為三維曲面模型或曲面點雲數據文件，且所述兩條邊界三次B樣條曲線最小二乘意義下逼近類直紋面離散點雲。
3.如權利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，其特徵在於，所述初始刀具路徑為一直紋面，採用刀軸軌跡面表示，具體採用下式表示
4.如權利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，其特徵在於，所述刀具路徑整體優化模型採用下式表示 min max《v(w)； \<i<n I Pi -1 I 其中，X(w)表示刀具空間運動生成的包絡曲面；{Pi e □ 3, I ^ i ^ η}表示類直紋面上的採樣點，η是採樣點的個數，□ 3是三維歐氏空間；k,_Y( *，)|是採樣點到刀具包絡面的距離，=kuw)l是類直紋面到包絡面的最大距離；
5.如權利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，其特徵在於，所述優化後的最大幾何偏差為優化後類直紋面與刀具包絡曲面之間幾何偏差的最大值。
6.如權利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，其特徵在於，所述最優刀具路徑為在滿足加工精度的前提下，由刀具路徑整體優化問題的最優解作為控制點的刀軸軌跡面；所述刀具路徑文件為後處理程序所對應的刀位文件，具體描述刀具的位置和方向。
7.如權利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，所述的側銑刀具採用任意迴轉刀具，具體可採用圓柱刀、圓錐刀或鼓形刀。
全文摘要
本發明涉及一種類直紋面整體葉輪曲面的側銑加工方法，首先，根據類直紋面整體葉輪曲面，獲取近似的直紋面，近似直紋面採用兩條邊界三次B樣條曲線表示；之後，根據近似直紋面和刀具參數，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態，通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑；然後，計算類直紋面到刀具包絡面的距離，建立遵循誤差評定準則的刀具路徑整體優化模型，並將優化後的最大幾何偏差與預定的加工精度進行比較，判斷類直紋面能否通過側銑達到加工精度要求；最後，若優化後的最大幾何偏差小於預定的加工精度，生成最優刀具路徑，輸出刀具路徑文件。本發明克服了當前側銑加工方法只適用於直紋面葉片的問題，擴展了側銑加工的適用範圍。
文檔編號B23C3/00GK102794488SQ201210237109
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者畢慶貞, 朱利民, 王宇晗, 丁漢 申請人:上海交通大學